Рентгеновское и ионизирующее излучения, применение в медицине. Основы дозиметрии

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ КУРСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ  МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ  И СОЦИАЛЬНОГО  РАЗВИТИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

(ГБОУ  ВПО КГМУ МИНЗДРАВСОЦРАЗВИТИЯ  РОССИИ) 

КАФЕДРА ФИЗИКИ, ИНФОРМАТИКИ  И МАТЕМАТИКИ 

Самостоятельная работа №2

Тема: «Рентгеновское и  ионизирующее излучения, применение в медицине. Основы дозиметрии»

по  дисциплине «физика» 

 Выполнила:

Семуткина Ольга 

 Юрьевна

2 группа, 1 курс,

педиатрический  факультет 

                                                                               Проверила: Фетисова

                                                                                Евгения Владимировна

                                                                             

                                                                               

КУРСК – 2011 ГОД 
 

Содержание  самостоятельной  работы: 
 

1. Устройство рентгеновской трубки.

2. Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение.

3. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом.

4. Физические основы применения рентгеновского излучения в медицине.

5. Радиоактивность. Основные типы радиоактивного распада.

6. Основной закон радиоактивного распада.

7. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом.

8. Биофизические основы действия ионизирующего излучения на организм.

9. Детекторы ионизирующих излучений.

10. Доза излучения. Экспозиционная доза. Мощность дозы.

11. Коэффициент качества. Эквивалентная доза.

12. Дозиметрические приборы.

13. Защита от ионизирующего излучения.

14. Применение рентгеновского и γ-излучения в медицине. 
 
 
 
 
 

2

Введение 

Рентгеновские лучи были обнаружены случайно в 1895 году знаменитым немецким физиком Вильгельмом  Рентгеном. Он изучал катодные лучи в  газоразрядной трубке низкого давления при высоком напряжении между  ее электродами. Несмотря на то, что  трубка находилась в черном ящике, Рентген  обратил внимание, что флуоресцентный экран, случайно находившийся рядом, всякий раз светился, когда действовала  трубка. Трубка оказалась источником излучения, которое могло проникать  через бумагу, дерево, стекло и даже пластинку алюминия толщиной в полтора  сантиметра.

Рентген определил, что газоразрядная трубка является источником нового вида невидимого излучения, обладающего большой проникающей  способностью. Ученый не мог определить, было ли это излучение потоком частиц или волн, и он решил дать ему название X-лучи. В последствие их назвали рентгеновскими лучами.

 Теперь известно, что X-лучи - вид электромагнитного  излучения, имеющего меньшую длину  волны, чем ультрафиолетовые электромагнитные  волны. Длина волны X-лучей колеблется  от 70 нм до нм. Чем короче длина волны X-лучей, тем больше энергия их фотонов и больше проникающая способность. X-лучи со сравнительно большой длиной волны (более 10 нм), называются мягкими. Длина волны 1 – 10нм характеризует жесткие X-лучи. Они обладают огромной проникающей способностью. 
 
 
 
 
 
 
 

3

Устройство  рентгеновской трубки 

Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения  является рентгеновская трубка, которая  представляет собой двухэлектродный  вакуумный прибор (рис. 1). Подогревный  катод испускает электроны. Анод, называемый часто антикатодом, имеет  наклонную поверхность, для того, чтобы направить возникающее  рентгеновское излучение под  углом к оси трубки. Анод изготовлен из хорошо проводящего тепло материала  для отвода теплоты, образующейся при  ударе электронов. Поверхность анода  выполнена из тугоплавких материалов, имеющих большой порядковый номер  в таблице Менделеева, например из вольфрама. В отдельных случаях  анод специально охлаждают водой  или маслом.

   Для диагностических  трубок важна точечность источника  рентгеновских лучей, чего можно  достигнуть, фиксируя электроны  в одном месте анода (антикатода). Поэтому конструктивно приходится  учитывать две противоположные  задачи: с одной стороны, электроны  должны попадать на одно место  антикатода, с другой стороны,  чтобы не допустить перегрева,  желательно распределение электронов  по разным участкам анода. В  качестве одного из интересных  технических решений является  рентгеновская трубка с вращающимся  анодом.

Рис. 1

Схематическое изображение рентгеновской трубки: X — рентгеновские лучи, K — катод, А — анод (антикатод), С — теплоотвод, — напряжение накала катода, — ускоряющее напряжение, — впуск водяного охлаждения, — выпуск водяного охлаждения. 
 

4

Тормозное и характеристическое рентгеновские излучения 

   В результате  торможения электрона (или иной  заряженной частицы) электростатическим  полем атомного ядра и атомных  электронов веществ антикатода  возникает тормозное рентгеновское излучение.

   Механизм  его можно пояснить следующим  образом. С движущимся электрическим  зарядом связано магнитное поле, индукция которого зависит от  скорости электрона. При торможении  уменьшается магнитная индукция  и в соответствии с теорией  Максвелла появляется электромагнитная  волна.

   При торможении  электронов лишь часть энергии  идет на создание фотона рентгеновского  излучения, другая часть расходуется  на нагревание анода. Так как  соотношение между этими частями  случайно, то при торможении большого  количества электронов возникает  рентгеновское излучение с непрерывным  (сплошным) спектром. На рис. 2 представлены  зависимости потока рентгеновского  излучения от длины волны λ  (спектры) при разных напряжениях  на рентгеновской трубке: < < .

   В каждом  из спектров наиболее коротковолновое  тормозное излучение, соответствующее  длине волны  , возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющемся поле, полностью переходит в энергию фотона:

откуда

   Эту формулу  можно преобразовать в более  удобное для практических целей  выражение:

где – минимальная длина волны, м; U– напряжение, кВ. Эта формула соответствует рис. 2.

5

 Рис. 2 

   Увеличивая  напряжение на рентгеновской  трубке, можно заметить на фоне  сплошного спектра появление  линейчатого, который соответствует  характеристическому рентгеновскому излучению.Оно возникает вследствие того, что ускоренные электроны проникают в глубь атома и из внутренних слоев выбивают электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней, в результате высвечиваются фотоны характеристического излучения. Характеристическое рентгеновское излучение состоит из серий K, L, Mи т. д., наименование которых и послужило для обозначения электронных слоев. Так как при излучении K– серии освобождаются места в более высоких слоях, то одновременно испускаются и линии других серий.

   В отличие  от оптических спектров характеристические  рентгеновские спектры  разных  атомов однотипны. Однотипность  этих спектров обусловлена тем,  что внутренние слои у разных  атомов одинаковы и отличаются  лишь энергетически, так как  силовое воздействие со стороны  ядра увеличивается по мере  возрастания порядкового номера  элемента. Это обстоятельство приводит  к тому, что характеристические  спектры сдвигаются в сторону  больших частот с увеличением  заряда ядра. Такая закономерность  известна как закон Мозли:

гдеv– частота спектральной линии, Z–атомный номер испускающего элемента, A и B – постоянные. 
 

Взаимодействие  рентгеновского излучения  с веществом 

6

Для первичного взаимодействия между рентгеновским  излучением и 

веществом характерно три механизма:

1. Когерентное рассеяние. Эта форма взаимодействия происходит, когда фотоны рентгеновских лучей имеют меньшую энергию, чем энергия связи электронов с ядром атома. В таком случае, энергия фотона оказывается не достаточной для освобождения электронов из атомов вещества. Фотон не поглощается атомом, но изменяет направление распространения. При этом длина волны рентгеновского излучения остается неизменной.

2. Фотоэлектрический эффект (фотоэффект). Когда фотон рентгеновского излучения достигает атома вещества, он может выбить один из электронов. Это происходит в том случае, если энергия фотона превышает энергию связи электрона с ядром. При этом фотон поглощается, а электрон высвобождается из атома. Если фотон несет большую энергию, чем необходимо для высвобождения электрона, он передаст оставшуюся энергию освобожденному электрону в форме кинетической энергии. Этот феномен, называемый фотоэлектрическим эффектом, происходит при поглощении относительно низкоэнергетического рентгеновского излучения.

Атом, который  теряет один из своих электронов, становится положительным ионом. Продолжительность  существования свободных электронов очень коротка. Они поглощаются  нейтральными атомами, которые превращаются при этом в отрицательные ионы. Результатом фотоэлектрического эффекта  является интенсивная ионизация  вещества.

 Если энергия  фотона рентгеновского излучения  меньше, чем энергия ионизации  атомов, то атомы переходят в  возбужденное состояние, но не  ионизируются.

3. Некогерентное рассеяние (эффект Комптона). Этот эффект обнаружен американским физиком Комптоном. Он происходит, если вещество поглощает рентгеновские лучи малой длины волны. Энергия фотонов таких рентгеновских лучей всегда больше, чем энергия ионизации атомов вещества. Эффект Комптона является результатом взаимодействия высокоэнергетического фотона рентгеновских лучей с одним из электронов внешней оболочки атома, который имеет сравнительно слабую связь с атомным ядром. 

7

Высокоэнергетический  фотон передает электрону некоторую  часть своей

энергии. Возбужденный электрон высвобождается из атома. Оставшаяся часть энергии первоначального  фотона излучается в виде фотона рентгеновского излучения большей длины волны  под некоторым углом к направлению  движения первичного фотона. Вторичный  фотон может ионизировать другой атом и т.д. Эти изменения направления  и длины волны рентгеновских  лучей известны как эффект Комптона.

Как было упомянуто  выше, рентгеновские лучи способны возбуждать атомы и молекулы вещества. Это может вызывать флюоресценцию  определенных веществ (например, сульфата цинка). Если параллельный пучок рентгеновских  лучей направить на непрозрачные объекты, то можно наблюдать, как лучи пройдут сквозь объект,  поставив экран, покрытый флюоресцирующим веществом.

 Флуоресцентный  экран можно заменить фотографической  пленкой. Рентгеновские лучи оказывают  на фотографическую эмульсию  такое же действие, как и свет. Оба метода используются в  практической медицине.

 Другим важным  эффектом рентгеновского излучения  является их ионизирующая способность.  Это зависит от их длины  волны и энергии. Этот эффект  обеспечивает метод для измерения  интенсивности рентгеновского излучения.  Когда рентгеновские лучи проходят  через ионизационную камеру, возникает  электрический ток, величина которого  пропорциональна интенсивности  рентгеновского излучения.